Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger

Abstract

 Optische Empfänger mit einer Photodiode (PD) und einem Transimpedanzverstärker sind für Signale mit einer bestimmten Übertragungsgeschwindigkeit optimal dimensioniert. Aufgabengemäß soll eine Schaltungsanordnung angegeben werden, mit der der optische Empfänger an unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten angepaßt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Gegenkopplungswiderstand des Transimpedanzverstärkers in mindestens zwei Reihenwiderstände (R_F1, R_F2) aufgeteilt. Je nach Übertragungsgeschwindigkeit wird mit Hilfe einer Steuerschaltung stufenweise der jeweils optimale Widerstandswert in den Gegenkopplungszweig geschaltet. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, einen solchen universellen optischen Empfänger beispielsweise in einer Breitbandteilnehmeranschluß-Schnittstelle angepaßt sowohl mit einer Übertragungsrate von 150 Mbit/s als auch mit einer Übertragungsrate von 600 Mbit/s zu betreiben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger, der in optischen Nachrichtenübertragungssystemen als opto-elektrischer Wandler dient. Derartige optische Empfänger bestehen aus einer Photodiode und einem Vorverstärker. Wenn hohe Bandbreite und großer Dynamikbereich gefordert werden, wird häufig als Vorverstärker ein Transimpendanzverstärker eingesetzt, vgl. Dieter Lutzke: Lichtwellenleiter-Technik, München: Pflaum 1986, Seite 282 bis 289. In Fig. 1 ist ein allgemein bekanntes Ersatzschaltbild eines optischen Empfängers dargestellt. Die Photodiode PD ist als Stromquelle I_Ph mit parallel geschalteter Kapazität C_D dargestellt, der nachgeschaltete Transimpedanzverstärker TIV besteht im Ersatzschaltbild aus einem Operationsverstärker V mit Gegenkopplungswiderstand R_F und dem Eingangswiderstand R_V sowie der Eingangskapazität C_V des Operationsverstärkers. Die Photodiode PD liefert einen Photostrom I_Ph, der in erster Näherung proportional zur empfangenen Lichtleistung ist. Der über den Gegenkopplungswiderstand R_F rückgekoppelte Operationsverstärker formt den Photostrom I_Ph in eine Ausgangsspannung U_a um. Die entsprechende Strom-Spannungs-Übertragungsfunktion des Transimpedanzverstärkers lautet unter der Voraussetzung großer Verstärkung v


Daraus ergibt sich die 3 dB-Grenzfrequenz zu


Durch Vorgabe einer gewünschten Bandbreite wird somit der Gegenkopplungswiderstand R_F festgelegt. Der Widerstandswert hat aber einen Einfluß auf die Rauscheigenschaften und damit auf die Empfängerempfindlichkeit. Um die Empfängerempfindlichkeit groß zu machen, muß der Gegenkopplungswiderstand R_F möglichst groß gewählt werden. Dadurch vermindert sich zwar der Rauschbeitrag des Gegenkopplungswiderstandes R_F, gleichzeitig verringert sich aber die Bandbreite des optischen Empfängers.

[0002] Bei bekannten Lösungen wird der Wert des Gegenkopplungswiderstandes nach der höchsten geforderten Übertragungsgeschwindigkeit in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem bemessen, vgl. R.G. Meyer, R.A. Blauschild: "A Wide-Band Low-Noise Monolithic Transimpedance Amplifier", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-21, No. 4, August 1986. Wird ein solcher Empfänger jedoch bei einer niedrigeren Übertragungsgeschwindigkeit eingesetzt, so ergibt sich aufgrund des nicht angepaßten Gegenkopplungswiderstandes ein Verlust an Empfängerempfindlichkeit.

[0003] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger anzugeben, die universell für unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten einsetzbar ist und als monolithisch integrierte Schaltung realisierbar sein soll.

[0004] Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Schaltungsanordnung gelöst. Durch die Aufteilung des Gegenkopplungswiderstandes in eine Reihenschaltung zweier Widerstände wird es möglich, die Größe des wirksamen Gegenkopplungswiderstandes der jeweiligen Übertragungsgeschwindigkeit anzupassen. Großer Gegenkopplungswiderstand bedingt niedrige Grenzfrequenz, beziehungsweise geringe Bandbreite, kleiner Gegenkopplungswiderstand bedingt hohe Grenzfrequenz beziehungsweise größere Bandbreite. Es ist möglich, den Gegenkopplungswiderstand auch in mehr als zwei Widerstände aufzuteilen und damit eine Optimierung des Transimpedanzverstärkers für die Übertragung unterschiedlicher Bitraten zu erreichen.

[0005] Die Wirkung der Schaltungsanordnung beruht darauf, daß der ersten Verstärkerstufe zwei gleichwirkende und eingangsseitig parallel geschaltete Verstärkerstufen nachgeschaltet sind, von denen eine steuerbar ist. Die Ausgänge der beiden Verstärkerstufen liegen an den Anschlüssen eines Teilwiderstandes des Gegenkopplungswiderstandes, so daß bei gleichem Übertragungsverhalten der Verstärker am Teilwiderstand keine Spannungsdifferenz entsteht und somit der Teilwiderstand für die Gegenkopplung wirkungslos ist. Wird nun durch die Steuerspannung die Verstärkerstufe gesperrt, deren Ausgang an den Verbindungspunkt der beiden Teilwiderstände geschaltet ist, so wird der gesamte Gegenkopplungswiderstand wirksam.

[0006] Somit wird ein monolithisch integrierbarer optischer Empfänger angegeben, der beispielsweise in einer Breitbandteilnehmeranschluß-Schnittstelle angepaßt sowohl bei einer Übertragungsrate 150 Mbit/s als auch bei einer Übertragungsrate 600 Mbit/s betrieben werden kann.

[0007] Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1

ein Ersatzschaltbild eines optischen Empfängers gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2

ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 3

ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 4

ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit mehreren Teilwiderständen.

[0008] Gemäß Fig. 2 besteht die Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger aus einer Photodiode PD, einem Verstärker aus zwei Verstärkerstufen V1, V12, einem weiteren Verstärker V22, dessen Arbeitsweise durch eine Steuerspannung U_st bestimmt wird und einem als Reihenschaltung zweier Widerstände R_F1, R_F2 ausgeführten Gegenkopplungswiderstand. Eine technische Ausführungsmöglichkeit zeigt Fig. 3. Danach enthält die erste Verstärkerstufe V1 als aktives Element einen ersten Transistor T1, die zweite Verstärkerstufe V12 enthält zwei Transistorstufen mit einem zweiten und dritten Transistor T3, T4. In gleicher Weise ist ein zweiter Signalpfad als ein weiterer Verstärker V22 mit zwei Transistoren T5, T6 aufgebaut. Eine Zusatzschaltung aus zwei Transistorschaltern mit den Transistoren T8, T9 ermöglicht die Steuerung dieses zweiten Signalweges. Weiterhin ist eine von einer Referenzspannung U_ref gesteuerte Stromquelle mit einem Transistor T7 vorgesehen.

[0009] Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist folgende: Für den Fall, daß die Steuerspannung U_st größer ist als die Basis-Emitter-Spannung U_BE der zwei Transistoren T8, T9 der Zusatzschaltung, werden die Transistoren T8, T9 bis zur Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung U_CEsat durchgesteuert. Der zweite Signalpfad ist dadurch über einen Widerstand R6 und den Transistor T8 nach Masse kurzgeschlossen. Gleichzeitig wird die Referenzspannung U_ref, die mittels der Schaltung aus Transistor T7 und Widerstand R7 einen Konstantstrom durch den Transistor T6 erzeugt, über einen Widerstand R8 und den Transistor T9 ebenfalls nach Masse kurzgeschlossen. Der Transistor T6 im Ausgang des zweiten Signalpfades ist damit stromlos und an seiner Basis-Emitter-Diode liegt eine Sperrspannung von etwa 2 U_BE an. Das hat zur Folge, daß am Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilwiderständen R_F1, R_F2 des Gegenkopplungswiderstandes nur die relativ geringe Sperrschichtkapazität der Basis-Emitter-Diode des Transistors T6 wirksam ist, die jedoch auf die Übertragungsfunktion und auf das Rauschen des Transimpedenzverstärkers praktisch keinen Einfluß hat. Der Transimpedanzverstärker arbeitet nun mit einem wirksamen Gegenkopplungswiderstand, der sich aus der Summe der beiden Teilwiderstände R_F1, R_F2 ergibt.

[0010] Ist die Steuerspannung sehr viel kleiner als die Basis-Emitter-Spannung U_BE der Transistoren T8, T9 der Zusatzschaltung, so werden die Transistoren T8, T9 gesperrt und der Transistor T6 im Ausgang des zweiten Signalpfades wird von einem Konstantstrom durchflossen. Das am Kollektor des Transistors T1 der ersten Verstärkerstufe abgegriffene Signal wird über den zweiten Signalpfad mit den Transistoren T5, T6 und dem ersten Teilwiderstand R_F1 des Gegenkopplungszweiges auf den Eingang des Transimpedanzverstärkers gegengekoppelt. Da an den Emitter der Ausgangstransistoren T4, T6 im ersten und zweiten Signalpfad jeweils das gleiche Signal liegt und zwischen beiden der zweite Teilwiderstand R_F2 des Gegenkopplungswiderstandes geschaltet ist, so ist die Gegenkopplung durch den zweiten Teilwiderstand R_F2 wirkungslos. Der Transimpedanzverstärker arbeitet nun nur mit dem ersten Teilwiderstand R_F1 als Gegenkopplungswiderstand.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger, die eine Photodiode (PD) und einen Transimpedanzverstärker (TIV) enthält wobei die Photodiode (PD) zwischen Versorgungsspannungsquelle (U_B) und Eingang des Transimpedanzverstärkers (TIV) oder Eingang des Transimpedanzverstärkers (TIV) und Masse liegt und der Transimpedanzverstärker (TIV) aus einer ersten Verstärkerstufe (V1) und mindestens einer zweiten Verstärkerstufe (V12) besteht und einen Gegenkopplungswiderstand enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand als Reihenschaltung zweier Widerstände (R_F1, R_F2) zwischen Eingang und Ausgang des Transimpedanzverstärkers (TIV) liegt und daß zwischen dem Verbindungspunkt von erster und zweiter Verstärkerstufe (V1, V12) und dem Verbindungspunkt der beiden Gegenkopplungswiderstände (R_F1, R_F2) ein Verstärker (V22) geschaltet ist, der im wesentlichen die gleiche Übertragungsfunktion hat wie die zweite Verstärkerstufe (V12) und der Mittel enthält, mit denen der Verstärker (V22) in einen aktiven oder einen gesperrten Zustand geschaltet wird.

2. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand als Reihenschaltung von mehr als zwei Widerständen gebildet wird, wobei mit jedem weiteren Teilwiderstand (R_F3, R_Fn) der Transimpedanzverstärker um einen der zweiten Verstärkerstufe (V12) eingangsseitig parallel geschalteten Verstärker (V23, V2n) erweitert wird, wobei dieser im wesentlichen die gleiche Übertragungsfunktion hat wie die zweite Verstärkerstufe (V12) und daß der Ausgang des parallel geschalteten Verstärkers (V23, V2n) an den Verbindungspunkt von vorletztem (R_Fn-1) und letztem (R_Fn) Teilwiderstand geschaltet ist und jeder dieser Verstärker (V23, V2n) unabhängig voneinander aktiviert wird.

3. Schaltungsanordnung für einen optischen Empfänger nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Verstärkerstufen und den Teilwiderständen des Gegenkopplungszweiges liegende Verstärker über eine Steuerschaltung mit einer Steuerspannung (U_st) so geschaltet wird, daß im ersten Zustand die Eingangsspannung des Verstärkers unwirksam ist, beispielsweise durch einen von einer Transitorstufe (T8) bewirkten Kurzschluß gegen Masse, und daß in einem zweiten Zustand der Verstärker in gleicher Weise wie die letzte Verstärkerstufe arbeitet, so daß an den beiden Anschlüssen des entsprechenden Teilwiderstandes die gleiche Spannung liegt und damit der Teilwiderstand stromlos und für die Gegenkopplung wirkungslos ist.

Zeichnung